摘  要： 為了實(shí)時(shí)了解水質(zhì)溶解氧（DO）含量，準(zhǔn)確掌握水文動(dòng)態(tài)，設(shè)計(jì)了基于ARM的DO監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。以ARM 920TS3C2410為主控制器，運(yùn)用最小二乘法溫度補(bǔ)償原理及嵌入式技術(shù)對(duì)DO參數(shù)進(jìn)行實(shí)時(shí)采集、處理及遠(yuǎn)程傳輸。測(cè)試結(jié)果表明，該系統(tǒng)監(jiān)測(cè)準(zhǔn)確，運(yùn)行穩(wěn)定，實(shí)現(xiàn)了對(duì)水體DO的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。

　　關(guān)鍵詞： ARM；DO；920TS3C2410；溫度補(bǔ)償；GPRS

0 引言

　　大氣中的氧分子溶于水體稱為溶解氧（Dissolved Oxygen，DO）。溶解氧是魚類等水生物生存的必備條件，此外溶解氧含量是衡量水體自凈能力的一個(gè)重要指標(biāo)[1]。當(dāng)水中藻類過(guò)度繁殖、富營(yíng)養(yǎng)化時(shí)，水體溶解氧含量將會(huì)降低，水生物窒息死亡，水質(zhì)逐步惡化，因此有必要設(shè)計(jì)一種能夠?qū)崟r(shí)反映水體溶解氧動(dòng)態(tài)變化、具有報(bào)警功能的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)[2]，及時(shí)了解水質(zhì)狀況，方便環(huán)保部門對(duì)水環(huán)境的治理。文中研究的溶解氧監(jiān)測(cè)系統(tǒng)不僅能快速采集、處理水體DO數(shù)據(jù)，而且可以將監(jiān)測(cè)結(jié)果實(shí)時(shí)傳送到監(jiān)測(cè)站進(jìn)行水污染分析。其成本低、功能完善、簡(jiǎn)單便捷，為水污染預(yù)防和治理提供有力的幫助。

1 監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

　　監(jiān)測(cè)系統(tǒng)通過(guò)水質(zhì)傳感器實(shí)時(shí)獲取水質(zhì)參數(shù)信號(hào)。水質(zhì)傳感器獲取的信號(hào)將被傳送至調(diào)理電路實(shí)現(xiàn)對(duì)傳感信號(hào)的優(yōu)化、濾波處理。A/D模塊進(jìn)行高精度的模數(shù)轉(zhuǎn)換，經(jīng)過(guò)ARM處理器920TS3C2410將信號(hào)進(jìn)行溫度補(bǔ)償、分析和存儲(chǔ)，最后通過(guò)GPRS將水質(zhì)參數(shù)信號(hào)傳送到監(jiān)測(cè)站進(jìn)行分析。監(jiān)測(cè)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框如圖1所示。

　　系統(tǒng)還應(yīng)具有良好的分辨率、準(zhǔn)確度等檢測(cè)參數(shù)，整個(gè)系統(tǒng)的指標(biāo)如表1所示。

2 DO硬件電路

　　2.1 參數(shù)調(diào)理電路

　　監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中傳感器輸出信號(hào)多為電流信號(hào)，存在漂移失真、噪聲干擾等，為此在傳感器與A/D轉(zhuǎn)換模塊之間設(shè)計(jì)了溫度與DO信號(hào)調(diào)理電路，對(duì)采集信號(hào)進(jìn)行除噪和I/V轉(zhuǎn)換等。

　　2.1.1 DO傳感器結(jié)構(gòu)及工作原理

　　監(jiān)測(cè)系統(tǒng)采用極譜式薄膜溶解氧電極作為傳感器[3]。黃金片作為陰極，銀片為陽(yáng)極，KCL溶液作為電解液，頂端以聚四氟乙烯薄膜覆蓋。由于外加極化電壓使得兩電極間存在電位差，如果待測(cè)液中有氧存在，則通過(guò)聚四氟乙烯薄膜在陰極發(fā)生還原反應(yīng)產(chǎn)生電流。反應(yīng)式如下：

　　陰極：O2+2H2O+4e→4OH-

　　陽(yáng)極：4Ag+4Cl-→4AgCl+4e

　　在一定條件下，反應(yīng)電流的大小與水中氧的分壓有關(guān)，而水中氧分壓與水中溶解氧成正比，所以水中溶解氧的濃度可以由傳感器輸出電流的大小來(lái)表示。

　　2.1.2 DO采集調(diào)理電路[4]

　　DO采集調(diào)理電路如圖2所示，陽(yáng)極（Ag端）由穩(wěn)壓管、電容和電位器構(gòu)成激勵(lì)源電路，為DO傳感器的正負(fù)電極提供極化電壓，極化電壓的大小可由電位器P1調(diào)節(jié)。當(dāng)陽(yáng)極輸出的電壓滿足要求時(shí)，水中的氧在Au端發(fā)生反應(yīng)，產(chǎn)生μA級(jí)電流。而傳感器輸出的是較弱的電流信號(hào)，極易受到噪聲等信號(hào)影響，因此需要對(duì)傳感器輸出的弱電流信號(hào)進(jìn)行無(wú)損放大。而傳感電極的內(nèi)阻較大，因此采用輸入阻抗較高的CA3140運(yùn)算放大器作為第一級(jí)前置放大器。CA3140不僅具有較高的輸入阻抗還具有增益高、噪聲小等優(yōu)點(diǎn)，可有效減少信號(hào)衰減實(shí)現(xiàn)弱電流的第一級(jí)放大。由于A/D轉(zhuǎn)換模塊的輸入是電壓信號(hào)，第二級(jí)調(diào)理部分采用低功耗儀表放大器AD627實(shí)現(xiàn)I/V轉(zhuǎn)換及第二級(jí)電壓程控可變倍數(shù)放大，將電流轉(zhuǎn)換到A/D轉(zhuǎn)換模塊可接收的電壓范圍。AD627的失調(diào)漂移、增益漂移和增益誤差都較低，因此，可最大程度消除系統(tǒng)中的直流誤差且AD627又具有較好的共模抑制比（CMRR），可很好地消除傳輸線干擾和傳輸線諧波噪聲，從而確保在放大過(guò)程中信號(hào)質(zhì)量不會(huì)受到影響。

　　實(shí)驗(yàn)測(cè)試顯示，輸出的信號(hào)中攜帶了一定量的高頻毛刺，致使水質(zhì)參數(shù)信號(hào)不穩(wěn)定，因此，在調(diào)理電路中設(shè)計(jì)了低通濾波電路用以消除高頻雜波，提高信號(hào)精度。低通濾波電路如圖3所示。其傳遞函數(shù)為：

　　根據(jù)設(shè)計(jì)需要，可以調(diào)節(jié)R1、C1設(shè)置低通濾波器允許通過(guò)的最大頻率值。水質(zhì)信號(hào)在測(cè)量過(guò)程中易受到外界的工頻干擾[5]，因此，設(shè)計(jì)中加入50 Hz的工頻陷波電路。50 Hz工頻陷波電路如圖4所示。

　　2.2 系統(tǒng)抗干擾與供電系統(tǒng)

　　系統(tǒng)中水質(zhì)信號(hào)除了受50 Hz工頻等噪聲干擾，系統(tǒng)本身也存在諸多電源干擾、信號(hào)通道干擾等。對(duì)此本文中設(shè)計(jì)抗干擾措施來(lái)抑制干擾源：PCB板圖設(shè)計(jì)過(guò)程中，盡量加粗電源線與地線，保證電源線、地線走向與信號(hào)傳遞方向一致，增強(qiáng)抗干擾能力；數(shù)字地與模擬地分開(kāi)連接，從而避免模、數(shù)電路之間的回路干擾。

3 溫度補(bǔ)償設(shè)計(jì)

　　水質(zhì)傳感器易受敏感參量——水溫的影響，產(chǎn)生溫漂誤差，因此，傳感器必須經(jīng)過(guò)溫度補(bǔ)償校正，使測(cè)量值最接近實(shí)際值。系統(tǒng)的創(chuàng)新之處在于運(yùn)用最小二乘法原理將傳統(tǒng)的硬件溫度補(bǔ)償改進(jìn)為軟件補(bǔ)償，彌補(bǔ)了傳統(tǒng)硬件溫度的調(diào)試?yán)щy、精度低的缺點(diǎn)。

　　3.1 最小二乘法原理

　　最小二乘法（又稱最小平方法）是一種數(shù)字優(yōu)化技術(shù)。它通過(guò)最小化誤差的平方和尋找數(shù)據(jù)的最佳函數(shù)匹配。在研究?jī)蓚€(gè)變量（X、Y）之間的關(guān)系時(shí)，通?？梢缘玫蕉鄠€(gè)成對(duì)數(shù)據(jù)組（X1 Y1～Xn Yn），將這些數(shù)據(jù)描繪在X-Y坐標(biāo)系中，如果發(fā)現(xiàn)這些點(diǎn)在一條直線附近，可令這條直線方程為：

　　yi=a0+a1·xi（1）

　　其中，a0、a1為任意實(shí)數(shù)。

　　為了建立這條直線方程就要確定a0、a1，將實(shí)測(cè)值yi與yj離差的平方

　　求解出a0、a1，代入式（1），此時(shí)式（1）的方程就是回歸的元線性方程。

　　3.2 溫度補(bǔ)償設(shè)計(jì)

　　在水質(zhì)數(shù)據(jù)采集端，還加入了溫度傳感器用以采集水體溫度數(shù)據(jù)，將其作為DO信號(hào)溫度補(bǔ)償?shù)臉?biāo)定參數(shù)。在溫度傳感器測(cè)量范圍內(nèi)確定m個(gè)溫度（T1…Tm）作為設(shè)定點(diǎn)，在DO傳感器的測(cè)量范圍內(nèi)確定n個(gè)DO（DO1…DOn）作為設(shè)定點(diǎn)。

　　在不同的溫度T1…Tm下分別對(duì)DO測(cè)量值進(jìn)行靜態(tài)設(shè)定，獲得了對(duì)應(yīng)不同溫度狀態(tài)下的m條DO—UDO特性組，同時(shí)也獲得了對(duì)應(yīng)于不同溶解氧量的溫度傳感器的n條T—UT特性組。

　　采用最小二乘法原理，對(duì)上述兩個(gè)特性組進(jìn)行多次擬合計(jì)算，得出補(bǔ)償系數(shù)[6]。將補(bǔ)償方程存儲(chǔ)在溫度補(bǔ)償子程序模塊中。ARM控制器采集到水質(zhì)DO參數(shù)的電壓信號(hào)后，調(diào)用水質(zhì)參數(shù)各自的溫度補(bǔ)償子程序，實(shí)現(xiàn)對(duì)信號(hào)的實(shí)時(shí)校準(zhǔn)。

　　4 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

　　系統(tǒng)軟件需實(shí)現(xiàn)對(duì)傳感器數(shù)據(jù)的采集、處理等；對(duì)GPRS模塊進(jìn)行編程，在GPRS網(wǎng)絡(luò)下傳送、接收數(shù)據(jù)。其主程序流程如圖5所示。系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)包含：水質(zhì)信號(hào)采集程序模塊和數(shù)據(jù)處理程序模塊兩部分。

　　4.1 水質(zhì)信號(hào)采集程序模塊

　　信號(hào)采集的主要流程如下：采集定時(shí)[7]（采集定時(shí)時(shí)間由MCU來(lái)分配）時(shí)間到達(dá)后，ARM控制器發(fā)出采集命令，水質(zhì)傳感器上電初始化，系統(tǒng)采集數(shù)據(jù)、處理、發(fā)送，發(fā)送結(jié)束后控制器進(jìn)入休眠狀態(tài)，關(guān)閉傳感器電源。這樣既滿足了水質(zhì)信號(hào)的實(shí)時(shí)采集，又降低了系統(tǒng)的功耗。信號(hào)采集程序流程圖如圖6所示。

　　4.2 數(shù)據(jù)處理程序模塊

　　數(shù)據(jù)處理程序模塊分為兩部分：應(yīng)用程序和嵌入式操作系統(tǒng)程序。應(yīng)用程序包含水質(zhì)多參數(shù)信號(hào)處理、人機(jī)交互界面設(shè)計(jì)、GPRS網(wǎng)絡(luò)傳輸；嵌入式操作系統(tǒng)包含控制按鍵、LCD和GPRS傳輸模塊驅(qū)動(dòng)程序設(shè)計(jì)。系統(tǒng)的嵌入式Linux軟件平臺(tái)是在PC上REHL4 Linux操作系統(tǒng)下建立的。采用arm-Linux-gcc-2.95.3作為交叉編譯工具。Linux軟件平臺(tái)建立包含4部分：（1）建立交叉編譯環(huán)境；（2）制作Bootloader；（3）移植Linux內(nèi)核；（4）根文件系統(tǒng)編寫[8-9]。

　　GPRS程序部分主要實(shí)現(xiàn)水質(zhì)參數(shù)數(shù)據(jù)的接收和傳輸。GPRS模塊通過(guò)RS－232串口與ARM處理器的UART0口連接，UART口的驅(qū)動(dòng)程序設(shè)計(jì)采用了循環(huán)隊(duì)列結(jié)構(gòu)，環(huán)形緩沖區(qū)通過(guò)一個(gè)線性數(shù)組和指針實(shí)現(xiàn)操作。GPRS編程設(shè)計(jì)采用AT指令來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)GPRS模塊的控制，從而實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的接收與發(fā)送。

5 系統(tǒng)測(cè)試

　　在溫度為0～40℃，相對(duì)濕度小于90%的室外環(huán)境下，對(duì)整個(gè)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)進(jìn)行了反復(fù)測(cè)試，其運(yùn)行穩(wěn)定，響應(yīng)快。對(duì)蘇州新區(qū)某河流定點(diǎn)水質(zhì)進(jìn)行了監(jiān)測(cè)，測(cè)試參數(shù)如表2所示。

　　從表2可知，DO偏大于參數(shù)指標(biāo)10%，后找到誤差原因：DO傳感器進(jìn)入水中水位深度不一致。在此后的監(jiān)測(cè)過(guò)程中，確保了每次測(cè)量時(shí)DO、溫度傳感器的入水深度相同，監(jiān)測(cè)結(jié)果穩(wěn)定，滿足參數(shù)指標(biāo)。從表2溶解氧測(cè)量值分析可知，該河流點(diǎn)溶解氧偏低，藻類過(guò)度繁殖，水質(zhì)富營(yíng)養(yǎng)化，需要進(jìn)一步治理。

6 結(jié)論

　　該系統(tǒng)以ARM處理器為控制核心，實(shí)現(xiàn)對(duì)水質(zhì)DO參數(shù)信號(hào)的采集、存儲(chǔ)和傳輸。嵌入式系統(tǒng)的應(yīng)用保證了監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的穩(wěn)定性和實(shí)時(shí)性。此系統(tǒng)針對(duì)DO參數(shù)設(shè)計(jì)了合理的調(diào)理電路、溫度補(bǔ)償措施，保證了采集信號(hào)的準(zhǔn)確性。本系統(tǒng)監(jiān)測(cè)穩(wěn)定、實(shí)時(shí)測(cè)量準(zhǔn)確、數(shù)據(jù)遠(yuǎn)程傳輸，具有很好的市場(chǎng)應(yīng)用前景和較高的環(huán)保推廣價(jià)值。

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